專(zhuān)利名稱(chēng)：物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信的低功耗技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)將廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)生活以及國(guó)家安全的方方面面，并越來(lái)越深入地影響到經(jīng)濟(jì)發(fā)展(比如在金融，物流，商業(yè)等方面)以及社會(huì)生活和國(guó)家安全(比如災(zāi)害監(jiān)控，預(yù)警等)。相對(duì)于方便的無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)，節(jié)點(diǎn)電路和整個(gè)系統(tǒng)的功耗問(wèn)題將越來(lái)越明顯地成為其廣泛適用的制約。對(duì)大量散布的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)而言，采用電源線(xiàn)供電顯然是不現(xiàn)實(shí)的也不恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。而采用電池供電，頻繁更換電池對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作帶來(lái)很大不便，在成本和代價(jià)上也是非常巨大甚至難以承受的。在一些特定應(yīng)用場(chǎng)合，比如人體植入節(jié)點(diǎn)，頻繁更換電池不但給監(jiān)護(hù)對(duì)象造成極大痛苦，也給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大困難。在同樣采用電池供電的移動(dòng)設(shè)備中，低功耗高能量效率技術(shù)是提高系統(tǒng)性能的技 術(shù)之一，而在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，極低功耗高能量效率技術(shù)將是決定物聯(lián)網(wǎng)實(shí)用性的關(guān)鍵核心技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)電路的功耗和能量效率將是制約物聯(lián)網(wǎng)廣泛實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。功耗問(wèn)題和能量效率是依賴(lài)無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)的大量散布節(jié)點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，使其符合網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)的超低功耗喚醒接收機(jī)，包括級(jí)聯(lián)的射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)、前端放大器、包絡(luò)檢波器、限幅放大器、第一比較器、積分器、第二比較器和邊沿觸發(fā)器；所述射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)前端放大器和天線(xiàn)之間的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信號(hào)；所述包絡(luò)檢波器用于檢測(cè)出信號(hào)的幅度包絡(luò)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號(hào)；所述限幅放大器用于放大差分脈沖信號(hào)；所述第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號(hào)；所述積分器用于對(duì)單端脈沖信號(hào)進(jìn)行積分；所述第二比較器用于將積分后的電壓信號(hào)與參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較；所述邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結(jié)果喚醒節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)入工作模式。在規(guī)定的喚醒時(shí)間內(nèi)積分信號(hào)電壓幅度大于第二比較器的參考電壓時(shí)，第二比較器向邊沿觸發(fā)器發(fā)出信號(hào)，喚醒無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。所述射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)采用LC匹配電路實(shí)現(xiàn)。所述邊沿觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)器，將輸出的高電平信號(hào)存儲(chǔ)。所述積分器和邊沿觸發(fā)器為無(wú)源電路結(jié)構(gòu)。所述前端放大器的功耗為55uW。所述包絡(luò)檢波器的功耗為16uW。所述限幅放大器的功耗為8. 6uW。
所述第一比較器和第二比較器的功耗均小于3. 6uW。所述超低功耗喚醒接收機(jī)調(diào)制方式采用OOK調(diào)制，載波頻率為780MHz。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明采用簡(jiǎn)單、實(shí)用的以包絡(luò)檢波結(jié)構(gòu)為核心的喚醒接收電路，在采用低功耗設(shè)計(jì)情況下，能夠極大的減少功耗；采用了無(wú)源積分器(Integrator)和邊沿觸發(fā)器(Trigger)降低誤觸發(fā)概率；在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)條件下，喚醒接收機(jī)電路的接受靈敏度達(dá)到_70dBm、功耗IOOuff以下。


圖1是具有無(wú)線(xiàn)喚醒功能的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)示意圖；圖2是本發(fā)明提出的超低功耗無(wú)線(xiàn)喚醒接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的PCB電路連接原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)ー步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。具有無(wú)線(xiàn)喚醒功能的物聯(lián)網(wǎng)、短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及信息傳輸無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)示意圖如圖1所示。喚醒接收機(jī)一直處于監(jiān)控狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)主芯片的接收鏈路和發(fā)射鏈路都處于休眠狀態(tài)。當(dāng)對(duì)指定無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)有通信需求的時(shí)候，對(duì)其發(fā)送ー個(gè)通信需求指令，喚醒接收機(jī)探測(cè)接收到該信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生一個(gè)喚醒信號(hào)，用于喚醒主芯片，使其進(jìn)入工作模式(接收或發(fā)送)，和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。通信結(jié)束后由于喚醒信號(hào)的中斷，主芯片重新回到休眠模式，喚醒接收機(jī)繼續(xù)處于監(jiān)控狀態(tài)，等待下一次通信需求。本發(fā)明提出的可用干物聯(lián)網(wǎng)、短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及信息傳輸無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括級(jí)聯(lián)的射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)、前端放大器、包絡(luò)檢波器、限幅放大器、第一比較器、積分器、第二比較器和邊沿觸發(fā)器；所述射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)前端放大器和天線(xiàn)之間的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信號(hào)；所述包絡(luò)檢波器用于檢測(cè)出信號(hào)的幅度包絡(luò)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號(hào)；所述限幅放大器用于放大差分脈沖信號(hào)；所述第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號(hào)；所述積分器用于對(duì)單端脈沖信號(hào)進(jìn)行積分；所述第二比較器用于將積分后的電壓信號(hào)與參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較；所述邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結(jié)果喚醒節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)入工作模式。圖
3是本發(fā)明的PCB電路連接圖。本發(fā)明使得節(jié)點(diǎn)平臺(tái)大大降低節(jié)點(diǎn)電路的功耗,大大延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)電路的工作時(shí)間，從而大大降低節(jié)點(diǎn)電路電源更新的成本。大大提高物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍，降低物聯(lián)網(wǎng)的使用成本。從整個(gè)無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)的發(fā)展看，低功耗電路將越來(lái)越占據(jù)重要地位，因此以低功耗、高集成度為特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)將在物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)電路應(yīng)用中占據(jù)越來(lái)應(yīng)用的地位。低功耗無(wú)線(xiàn)喚醒技術(shù)就是基于提高能量效率的ー種管理策略和實(shí)現(xiàn)技木。
該接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)低功耗、高能效為前提，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，使其符合網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。各電路模塊說(shuō)明如下射頻匹配網(wǎng)絡(luò)(Matching)完成對(duì)前端放大器(FEA)和天線(xiàn)之間的阻抗匹配。前端放大器(FEA)為超低功耗，高電壓增益設(shè)計(jì)，用于提高接收靈敏度。包絡(luò)檢波器(ED)用于探測(cè)信號(hào)的電壓幅度包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)下變頻，使得變頻后頻率等于OOK信號(hào)數(shù)據(jù)率，同時(shí)也為超低功耗設(shè)計(jì)。限幅放大器為超低功耗設(shè)計(jì)，用于放大檢波器輸出的差分信號(hào)，使其能驅(qū)動(dòng)后邊的第一比較器(Comparatorl)。第一比較器(Comparatorl)作為一個(gè)脈沖放大器將限幅放大器輸出的差分信號(hào)放大并轉(zhuǎn)變成單端信號(hào)，同時(shí)也為超低功耗設(shè)計(jì)?！しe分器(Integrator)可設(shè)計(jì)為無(wú)源結(jié)構(gòu)，對(duì)第一比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分。第二比較器(Comparator2)為超低功耗、高精度設(shè)計(jì),利用前邊積分信號(hào)和參考電壓信號(hào)的比較決定是否產(chǎn)生喚醒信號(hào)。邊沿觸發(fā)器(Trigger)為上升沿有效，用于將前邊比較器輸出的喚醒信號(hào)保持，使其有足夠的時(shí)間激活主芯片。本發(fā)明中喚醒接收機(jī)一直處于監(jiān)控狀態(tài)，其本身消耗的能量必須非常的低(遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于節(jié)點(diǎn)芯片收發(fā)鏈路的功耗)，才能滿(mǎn)足超低功耗設(shè)計(jì)的要求。喚醒接收機(jī)調(diào)制方式采用OOK調(diào)制，載波頻率為780MHz，數(shù)據(jù)率小于500kbps。利用檢波結(jié)構(gòu)接收機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，使其工作狀態(tài)符合網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要通信的時(shí)候處于休眠狀態(tài)，需要通信的時(shí)候?qū)⑵鋯拘?，從而大大延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)電池使用壽命，提高了能量利用率。當(dāng)射頻信號(hào)通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入高電壓增益的超低功耗前端放大器(FEA)，信號(hào)得到放大；低功耗高靈敏度的包絡(luò)檢波器(ED)檢測(cè)出信號(hào)的幅度包絡(luò)，并轉(zhuǎn)變成差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)下變頻(變頻后信號(hào)變成頻率等于數(shù)據(jù)率的脈沖信號(hào))；限幅放大器(Limiter)將脈沖信號(hào)放大后，使其能很好的驅(qū)動(dòng)后邊的比較器電路；第一比較器(Comparatorl)在鏈路中作為一個(gè)脈沖放大器，將差分輸入信號(hào)變成OV到1. 2V的單端脈沖信號(hào)，進(jìn)入積分器(Integrator);積分信號(hào)隨時(shí)間慢慢變大最后趨于飽和，當(dāng)在規(guī)定的喚醒時(shí)間 500us)內(nèi)積分信號(hào)電壓幅度大于第二比較器(Comparator2)的參考電壓時(shí),第二比較器(Comparator2)輸出高電平(變化過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)上升沿)；再利用上升沿有效的邊沿觸發(fā)器(Trigger)，將輸出的高電平信號(hào)存儲(chǔ)，用于喚醒節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)入工作模式。本設(shè)計(jì)中，供電電源電壓為1.2V;前端放大器(FEA)功耗為55uW，電壓增益大于30dB ;包絡(luò)檢波器(ED)和限幅放大器(Limiter)功耗分別為16uW和8. 6uff ；比較器(Comparator1、Comparator〗)功耗均小于3. 6uff ;積分器(Integrator)和邊沿觸發(fā)器(Trigger)為無(wú)源電路結(jié)構(gòu)，不消耗能量；所有模塊的偏置電路總功耗小于12uW。測(cè)試結(jié)果顯示該喚醒接收機(jī)本身功耗<100uW，信噪比為12dB時(shí)，靈敏度_70dBm，能正確的實(shí)現(xiàn)超低功耗的無(wú)線(xiàn)喚醒功能。
權(quán)利要求
1.一種物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，包括級(jí)聯(lián)的射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)、前端放大器、包絡(luò)檢波器、限幅放大器、第一比較器、積分器、第二比較器和邊沿觸發(fā)器；所述射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)前端放大器和天線(xiàn)之間的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信號(hào)；所述包絡(luò)檢波器用于檢測(cè)出信號(hào)的幅度包絡(luò)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號(hào)；所述限幅放大器用于放大差分脈沖信號(hào)；所述第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號(hào)；所述積分器用于對(duì)單端脈沖信號(hào)進(jìn)行積分；所述第二比較器用于將積分后的電壓信號(hào)與參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較；所述邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結(jié)果喚醒節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)入工作模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，在規(guī)定的喚醒時(shí)間內(nèi)積分信號(hào)電壓幅度大于第二比較器的參考電壓時(shí)，第二比較器向邊沿觸發(fā)器發(fā)出信號(hào)，喚醒無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)采用LC匹配電路實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述邊沿觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)器，將檢測(cè)第二比較器的輸出前沿，并將輸出的高電平信號(hào)存儲(chǔ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述積分器和邊沿觸發(fā)器為無(wú)源電路結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述前端放大器的功耗為55uW。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述包絡(luò)檢波器的功耗為16uW。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述限幅放大器的功耗為8. 6uW。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述第一比較器和第二比較器的功耗均小于3. 6uW。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，其特征在于，所述超低功耗喚醒接收機(jī)調(diào)制方式采用OOK調(diào)制，載波頻率為780MHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的超低功耗喚醒接收機(jī)，包括射頻信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)前端放大器和天線(xiàn)之間的阻抗匹配；前端放大器用于放大信號(hào)；包絡(luò)檢波器用于檢測(cè)出信號(hào)的幅度包絡(luò)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號(hào)；限幅放大器用于放大差分脈沖信號(hào)；第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號(hào)；積分器用于對(duì)單端脈沖信號(hào)進(jìn)行積分；第二比較器用于將積分后的電壓信號(hào)與參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較；邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結(jié)果喚醒節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)入工作模式。本發(fā)明對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行外部遠(yuǎn)程控制使其符合網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，或用于控制短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及信息傳輸節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。
文檔編號(hào)H04B1/16GK103023522SQ20121051744
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者田彤, 張科, 劉宏, 孟凡振 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所